高分子の機械的特性

高分子は、弾性固体と粘性液体の間の挙動を示すため、その剛性、強度、および靭性は温度、時間、および速度に依存し、粘弾性およびゴム弾性によって記述されます。

Definition

高分子の機械的特性とは、負荷がかかった際の剛性、強度、変形性、およびエネルギー吸収能力を指します。これらは、固体のような弾性と液体のような流れを組み合わせた粘弾性挙動に起因し、温度、速度、および分子構造に依存します。

Scope

このトピックでは、高分子の機械的挙動について扱います。線形粘弾性、貯蔵弾性率と損失弾性率、クリープと応力緩和、機械的応答の時間-温度等価性、架橋ネットワークのゴム弾性、降伏、延伸、および破壊、ならびにモル質量、結晶化度、架橋度、および温度が最終的な特性をどのように共同で決定するかについて説明します。

Core questions

• なぜ高分子の機械的応答は時間と温度に依存するのでしょうか？
• 貯蔵弾性率と損失弾性率はどのように粘弾性挙動を記述するのでしょうか？
• どのような分子的な起源がゴムにエントロピー弾性を与えるのでしょうか？
• モル質量、結晶化度、および架橋度は強度と靭性をどのように制御するのでしょうか？

Key theories

線形粘弾性

高分子の応力応答は弾性的寄与と粘性的寄与を組み合わせたものであり、周波数依存の貯蔵弾性率と損失弾性率、およびクリープと応力緩和関数によって捉えられ、時間-温度重ね合わせによって異なる温度間で統一されます。

ゴム弾性のエントロピー理論

延伸された架橋ゴムの復元力はエントロピー的であり、伸長されたネットワーク鎖の配座エントロピーの減少に起因するため、弾性率は架橋密度に比例し、絶対温度の上昇とともに増加します。

Mechanisms

ガラス転移点以下では、高分子は硬いガラスであり、脆性破壊を起こす可能性があります。ガラス転移点以上では、非晶質の鎖は可動性となり、材料はゴム状になるか、架橋されておらず融点以上であれば流動します。絡み合いは溶融体や固体に一時的な弾性ネットワークを与え、一方、永久的な架橋はエントロピーによって支配される真のゴム弾性を与えます。負荷がかかると、高分子はせん断帯形成やクレーズ形成によって降伏し、鎖を配向させて延伸方向に強度を高め、最終的に破壊する可能性があります。これらのプロセス間のバランスは、モル質量、結晶化度、架橋度、および速度によって設定され、材料が脆性であるか靭性であるかを決定します。

Clinical relevance

機械的特性の制御は高分子工学の基礎です。ゴム弾性はタイヤ、シール、エラストマーを可能にし、配向と結晶化度による高弾性率と強度は繊維やフィルムを可能にし、ゴム相や制御されたクレーズ形成による靭性向上は耐衝撃性プラスチックを可能にします。粘弾性解析は、クリープ、疲労、および温度・速度依存性の破壊に対する設計を導きます。

History

弾性率をネットワーク鎖とエントロピーに関連付けるゴム弾性の運動論は、1940年代に開発され、TreloarとFloryによって体系化されました。時間-温度重ね合わせを含む高分子粘弾性の体系的な扱いは、1950年代から1960年代にかけてFerryらによって確立されました。

Key figures

• Paul Flory
• John Ferry
• Leslie Treloar

Seminal works

• sperling2006
• flory1953

Frequently asked questions

なぜ同じ高分子が、素早く叩くと硬く感じられるのに、持続的な負荷の下ではゆっくりと流れるのでしょうか？

高分子は粘弾性体です。短い時間スケールや高い速度では、鎖は再配列できず弾性的に応答しますが、長い時間スケールでは緩和して流動します。この時間依存性が、クリープ、応力緩和、および速度に敏感な靭性の根底にあります。

なぜ輪ゴムは加熱すると硬くなるのでしょうか？

ゴム弾性はエントロピー的です。延伸するとネットワーク鎖の配座エントロピーが低下し、復元力は絶対温度に比例するため、加熱するとゴムが軟化するのではなく、収縮力が増加します。